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切屑形成的基本理论与屑形控制
作者:华北工学院 常兴 武文革 辛志杰
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由于金属切削过程是在高温、高压、高速下进行,因此切屑的形成机理相当复杂。为了在切削加工中有效控制屑形,提高加工效率,改善加工表面质量,有必要对金属切削过程的一些基本理论进行深入研究和探讨。

1 滑移与滑移线

机械制造是利用金属塑性变形机理,采取滚压、轧制、冷拔或切削加工等方法,使零件达到要求的形状和尺寸。根据金属塑性变形理论可知,金属产生塑性变形的基本机理是滑移,即清移是金属最主要的塑性变形方式。

金属的滑移仅在剪应力作用下才能发生,即当剪应力t达到金属材料的剪切强度极限ts时,便会产生塑性变形。在平面变形条件下,多晶体金属中的滑移是沿最大剪应力方向发生的,即滑移带与最大剪应力迹线相重合。假设在连续应力场(塑性区)内最大剪应力迹线是无限密集的,则沿最大剪应力方向不断由一点到与其无限接近的另一点,即可在变形平面上绘出两组相互正交的曲线(如图1所示),从而形成由切屑形成过程中第一变形区内部分滑移线与流线(或相邻部分)组成的格子。

滑移线的微分方程为
第一组滑移线: dy/dx=tanw

第二组滑移线: dy/dx =-tanw


图1 滑移线和最大剪应力迹线


图2 与滑移线相切的直角坐标系

第一、第二滑移线的参变量分别用a和b代替。选取滑移线oa、ob为两曲线坐标轴,用坐标轴的曲线坐标(a,b)表示平面上p点的位置(见图2)。这样,在曲线坐标网的任一a线上坐标b等于常值;在任一b线上坐标a等于常值。因此,在无限接近p点处,坐标曲线a和b与选取的直角坐标轴相重合,因此可认为

dx=dsa,dy=dsb

式中,dsa和dsb分别为曲线a和b的弧长微分。因此有

由于直角坐标轴与滑移线相切,因此对于a而言,w=0。由于沿曲线a和b的角度w是不断变化的,因此偏导数不等于零,从而使切屑在形成过程中产生变形和卷曲。


图3 两滑移线间的滑移线转角


图4 切屑中的应力

2 切屑的变形和卷曲

根据滑移线性质的汉基定理可知,滑移线a1与a2、b1与b2是无限接近的。b1线在 p点与f点的法线的交点O1 为b1线在p点的曲率中心;b2线在e点与 d点的法线的交点 O2 为b2线在 e点的曲率中心。在图3中,wpf=wed,wpe=wfd。b2线在p点的曲率半径等于b2线在e点的曲率半径加上滑移线a1由 e点与p点的弧长增量Δs。由于弧长pf>ed(见图3),从而使切屑发生变形。同理,由于弧长pe>fd,切屑必然发生卷曲。

在图4中,用一个剪切面oM代替第一变形区,如果用点流动到剪切面上的p点,第二滑移线与第一滑移线在p点的切线垂直,即剪应力t与平行于第一滑移线在p点的切线的正应力s形成直角。在坐标系xpy内,p为原点,OM即为第二滑移线的切线,X轴即为s和t的合力方向,并与t成45°的夹角,与第一滑移线在p点的切线的夹角为p/4。由于s和t的夹角为p/2。+s和-s形成一个力矩,使切屑以p(空间坐标时为Z)为轴发生卷曲。

此外,随着切屑在前刀面上流动,其底层受到挤压,晶粒被拉长,造成切屑底部膨胀,促使切屑进一步弯曲变形,引起切屑卷曲。

3 切屑屑形及其控制

金属材料的性能不同,其滑移性质也不相同,即使在相同条件下进行切削,所得切屑的类型、尺寸(变形程度)也不相同。

对于多晶体的塑性金属,切应力与作用于滑移线上的正应力的大小和方向无关,引起滑移面切变的原子移动是依次发生的,因此在切削塑性金属时容易得到连续状切屑。低塑性金属(或因形变硬

化使塑性变差的金属)的切应力与正应力的大小和方向有关,容易产生刚性滑移(或称机械滑移),它与塑性金属发生的位错式滑移明显不同,由原子层组成的原子群在滑移面上相对于另一些材料层同时滑动,随着滑移的产生,滑移带的不完整性破坏增大,结果将导致宏观完整性破坏。因此,切削脆性金属时,容易因机械滑移而得到崩碎切屑。

切削塑性金属时,断屑是需要解决的主要矛盾。为有利于断屑,应尽可能增大切屑的基本变形和附加变形。如以较高切削速度切削碳钢或合金钢时,为得到螺旋卷屑、长紧卷屑或C形切屑,车刀应采用外斜式卷屑槽(见图5),刀具合理几何参数范围:t=5°-15°,h=0.5-1.5mm,s=65°-80°;k值由背吃刀量则和进给量f决定,当 ap=0.4=20mm、f=0.15-1mm/r时,k=1.5-7mm。文献[2]、[7]等给出了这方面的一些参考数据,但文献中给出的切削用量、刀具几何参数(尤其是倒棱、卷屑槽等参数)以及附加断屑台(或断屑器)结构、尺寸等与切削用量相匹配的数据多是在特定试验条件下得出的,如工件材料性质或切削条件改变,刀具几何参数、断屑台(或断屑器)尺寸等也需通过试验重新确定。

切削灰铸铁等脆性金属时,如何得到连续屑形也是一大难题。脆性金属的切削过程如图6所示。当刀具刚切入工件时,被切削金属层首先发生弹性变形(见图6a);随即切屑在切削刃部开始产生裂口(见图6b) ;刃前裂口以每秒上千米的速度发生失稳扩展,使被切削金属层产生不同方向的裂纹(见图6c);裂纹贯穿整个切削厚度,形成不规则的崩碎切屑(见图6d)。

加工HT200材料时,刀具前角和切削速度对切屑长度的影响如图7所示。当切削速度v >2.5m/s,刀具前角γ0<=30°时,由于切削温度较高,切屑呈暗红色被“挤”出,虽然可得到硬度较高的连续形切屑(类似钢屑),但在此切削条件下切削力太大,切削温度过高,不适用于实际生产。选取较大的刀具前角虽可减小切屑变形,但在较高切削速度下,因切屑与前刀面接触长度减小,使切屑长度也缩短。此外,前角过大可能引起“自动切入”现象。在实际加工中,刀具前角取值一般在=10°-25°之间为宜。


图5 车刀几何参数示意图


图6 脆性金用切削过程示意图


1:v=0.484m/s 2:v=1.545m/s 3:v=2.547m/s
试件材料:HT200,ac=0.1414mm,aw=5.66mm
图7 刀具前角和切削速度对切屑长度的影响


图8 织构现象形成的切屑横截面形状

4 切屑形成过程中的声响与织构现象

在金属切削过程中,如将机床、电机等发出的其它噪声排除在外,在塑性金属切屑的形成过程中可听到“咯吱、咯吱”的声响;在脆性金属切屑的形成过程中则可听到“咯酥、咯酥”的声响。根据金属学原理可知,点阵过渡到新的位置几乎是瞬时完成的,因此发出的声响并不是单纯的平直音。金属切削过程中原子键被破坏而引起的原子位置改变如晶粒破碎(沿晶或穿晶)、晶格扭曲等会发出爆裂声,这就为确定切削过程是否正常提供了一个判别条件。

金属材料切削变形时,不仅切屑和已加工表面中的晶粒被拉长或破碎,而且各晶粒的晶格位向也会沿变形方向同时发生转动,使金属材料组织出现织构现象,由此形成的切屑横截面形状如图8所示。已加工表面的织构现象对加工表面质量不利(表面鳞刺的产生即与其有关)。由于切屑变形越大,织构现象越严重,因此精加工时应采用可减小切屑变形的切削条件,如高速切削、选取较大刀具前角和较小切削厚度、提高刃磨质量、使用润滑性能好的切削液、通过热处理工艺降低工件材料塑性等。
文章内容仅供参考 (投稿) (5/7/2004)
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